Определение ширины "ослабленной зоны" вокруг провала (для свайных фундаментов)

Образование карстового провала сопровождается изменением напряженно-деформированного состояния вмещающего массива, которое обусловливает изменение несущей способности и податливости свай.

В практических расчетах рекомендуется принимать упрощенную схему разножесткого основания (см. рисунок).

Величину диаметра участка основания d, в пределах которого сваи исключаются из работы (несущая способность свай равна нулю), рекомендуется принимать равной 1,25...1,3 (значение принимается по рекомендациям изыскателей).

Ширину "ослабленной зоны" a, в пределах которой податливость свай восстанавливается до первоначальной (см. рис.) по линейной зависимости, рекомендуется определять по формуле

a = k₁·k₂·(0,065H – 0,85)R_p,

где H - глубина залегания кровли карстующихся пород от поверхности, м (H > 13 м);

R_p - расчетный радиус провала;

k₁ - коэффициент, учитывающий влияние глубины погружения свай h_c относительно глубины залегания кровли карстующихся пород H

k₁ = 1,05 – 0,40h_c/H,

k₂ - коэффициент, учитывающий механические свойства грунтов покрывающей толщи через средневзвешенные по глубине значения коэффициента пористости и показателя текучести , и равный:

.

Расчетная схема для решения контактной задачи при возможных положениях провала

под серединой здания (а) и с краю (b): a - ширина ослабленной зоны основания вблизи провала;

k₀ - коэффициент постели ненарушенного основания; L - длина расчетного участка

Примечание. Настоящее Приложение распространяется на свайные фундаменты из "висячих" свай в связных грунтах.

Труды III Межд. конф. по геотехнике

городские агломерации на оползневых

территориях.

Волгоград.-ВГАСУ.-2005.-ч.1.-с.140-147.

УДК 551.448

Разрушение 5-этажного кирпичного здания на уфимском косогоре

Мулюков.Э. И., Урманшина Н.Э., Фаттахов М.М.

(Уфимский государственный нефтяной технический университет)

Введение

Башкирия известна как страна классического карста, подземная толща которой включает растворимые горные породы, имеющие поверхностные и подземные карстопроявления. Из числа поверхностных форм рельефа часто встречаются карры, поноры, колодцы, полья, воронки, котловины, сухие и слепые долины и др. Подземный карст (древний, палеокарст либо погребенный) обнаруживается бурением на застраиваемых или освоенных территориях либо представлен пещерами открытыми или слепыми, а также гротами на свободных территориях. Общее число пещер и гротов в Башкирии зарегистрировано более 200 [1]. Изобилует различными карстопроявлениями и территория г. Уфы (S= 753,7 км²) с известным Уфимским Косогором вдоль правого высокого берега р. Белой, где карст наиболее активен по сей день. Только в центральной части Уфы по состоянию на 1988 г. выявлено 743 кар­стовых воронки, в т.ч. 174 с известной датой образования [2].

Палеогеоморфология актуальна при строительном освоении закарстованных территорий, а также при реконструкции городских районов старой застройки, поскольку при этом оживляются и усиливаются вес 5 обязательных условий карстово-суффозионного процесса [3,4]. Подтопление палеоворонок приводит к ухудшению строительных свойств грунтов и развитию своеобразных подземных сдвиговых деформаций подземного оползневого характера и локальных проседаний, что является опасным для застроенных территорий и для подземных частей самих зданий.

В Уфе отказы оснований и фундаментов только каменных жилых и гра­жданских зданий происходят по закону Пуассона с вероятностью р =2,63*10⁴ т.е. 2,63 отказа в год на 10 тыс. зданий [3,4]. Учитывая, что в Уфе таких зданий примерно 14...15тыс. по состоянию на 01.01.05 г., получаем расчетное количество аварий в Уфе за 1 год - 4, из которых по «вине» карста (по результатам статистического анализа) 15%, т.е. 1-1,5 аварии в 2 года, что и наблюдается фактически на самом деле, поскольку вышеуказанная вероятность отказов получена на основе систематизации материалов репрезентативного статистического анализа отказов за 40 лет.

Мы располагаем обширным материалом, включающим документы обследования и диагностики, заключения, технические решения, а также документы авторского надзора по ликвидации аварий более чем на 150 объектах, попавших на наш рабочий стол с территории Башкирии и иных регионов России. Это - бесценный фонд для анализа аварий и извлечения уроков. Уместно вспомнить английского ученого Е. Стидже, опубликовавшего научную статью с неожиданным заголовком: «Побольше бы аварий!», подчеркивания тем самым исключительную ценность расследования причин аварий в области фундаментостроения [5]. Такого же мнения придерживаются Г. Санглера (Франция) [6] и Р.Рибицки (Германия). А Г. Петроски (США) подходит к проблеме аварий философски и считает, что «инженерная наука обогащается при изучении аварий. Полностью избежать аварий невозможно, т.к. создаются новые технические решения, не совсем проверенные на практике. Кроме того, постоянно есть попытки сократить массу, упростить технические решения — все это ведет опять же к авариям».

В США после зловещего карстового провала в 1981 г. в г. Орландо (шт. Флорида) диаметром 106 м и глубиной 36 м создан институт карстовых проблем. Настолько эта проблема валена и актуальна! Но в нашей стране такого института пока нет [7].

Рассмотрим одну из тяжелых аварий со зданием республиканского Центра по выплате пенсий и пособий (далее ЦНП) в Уфе, происшедшей по недооценке опасности карста в черте города.

Инженерно-геологическая характеристика площадки

Площадка здания ЦНП расположена в южной части Уфы на ул. Галле в районе вышеупомянутого Уфимского Косогора вдоль транссибирской железнодорожной магистрали. Этот Косогор имеет множество карстовых воронок на поверхности, а провалы здесь происходят ежегодно[8]. В 70- х годах прошлого века территория, прилегающая к ЦНП, была занята инди­видуальными жилыми деревянными домами.

Первые предпроектные изыскания на площадке проведены в 1974 г. ЗапУралТИСИЗом (зак. 4015), расположенным по воле случая на той же площадке, что и ЦНП. В отчете по изысканиям записано, что «грунтовые воды в период изысканий выработками не вскрыты и их появление в дальнейшем не ожидается». К сожалению, изыскатели не учли, что строительное освоение площадок даже в благоприятных геологических условиях всегда вызывает повышение уровня подземных вод, что и произошло здесь уже в период строительства, т.е. до ввода объекта в эксплуатацию. В этом же отчете не отражена также известная гипсово-ангидритовая (!) карстоопасность площадки строительства здания ЦНП, расположенной на территории Косогора, характеризующегося активным развитием карстовых процессов, описанных ещё Д.Л. Ивановым в 1897 г, при изысканиях под будущую транссибирскую магистраль[8].

Впоследствии в ходе строительства ЦНП в 1974 г. при разработке грунтов котлована неожиданно обнаружена древняя карстовая воронка, пропущенная изыскателями потому что она оказалась, со слов В.Р. Симоненко, между скважинами. Вторая такая же воронка была обнаружена в 1979 г. ходе дополнительных изысканий для диагностики причин аварии, оказавшейся всего в 10 м от первой воронки.

Уровень подземных вод, невскрытых изысканиями, уже в ходе строительства начал повышаться и к моменту завершения общестроительных работ (1977) был затоплен технический подвал, что стало причиной возбужденных разбирательств на высоких уровнях власти республики. Это произошло ещё за два года до ввода здания в эксплуатацию, т.е. при минимальной нагрузке на флюидную сеть.

На рис. 1 представлен инженерно-геологический разрез вдоль продольной оси здания, на котором видны две древние карстовые воронки в районе осей 9 и8, заполненные суглинком и перекрытые насыпным грунтом мощно­стью 9-11 м.

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез площадки, существующие свайные фундаменты, многосекционные сваи в зоне первой воронки, трещины в средней продольной стене, вызванные просадкой свайного фундамента и грунта в первой карстовой воронке.

Фундаменты

Первоначально в 1971 г. был запроектирован сборный ленточный фундамент с техническим подвалом. Однако, как было упомянуто выше, после закладки котлована и обнаружения погребенной воронки, со слабыми вмещающими и покровными насыпными грунтами пришлось срочно разработать свайный фундамент, сохраняя уже заложенный котлован для подва­ла, из забивных железобетонных разной длины (2-24 м), а в пятне воронки составные 24 м (2x12) сеч.30×; марка бетона 300. При забивке длинных свай (1-11 кв. 1975 г.) возникло большое количество «попов» длиной 2-5 м. Число ударов дизель-молота составило 300-1300, отказы е-2-5 мм. Сваепогружающий копер СА-12, дизель-молот С-330 с массой ударной части 2,5 т. По результатам пробной забивки составных 24-метровых свай в сопоставлении со сваями длиной 16 и 20 м была произведена корректировка проекта, т.е. приняты названные укороченные сваи проектной несущей способности в количестве 110 шт. (30% количества). Сопряжение верхних концов свай с монолитным непротивокарстовым ростверком было жестким обычным, а не шарнирным противокарстовым. Стены подвала смонтированы из фундаментных стеновых блоков Ф-6 в 3 яруса по ростверку. Получился довольно сложный фундамент, не способный однако воспринять особые нагрузки карстового типа.

Конструктивная схема и повреждения здания

Конструктивная схема здания из силикатного кирпича с размером в плане 12x72 м оказалась не продуманной, не обоснованной с позиции работо­способности и надежности в сложнейших карстоопасных условиях, поскольку она не обеспечивала необходимую пространственную жесткость и возможность восприятия особых нагрузок, внезапно воздействующих в кар­стовых районах (п. 1.9г, СНиП 2.01.07-85*).

Здание протяженное в плане широтной ориентации имеет 5 секций: две секции длиной по 10 м по торцам здания, основная (центральная) длиной 27 м, две дополнительные секции — по 12,5 м, примыкающие к основной. Все названные секции не имели внутренних поперечных несущих стен для обеспе­чения пространственной жесткости и неизменяемости здания. Сборные железобетонные междуэтажные перекрытия по трем продольным стенам не имели анкерования плит со стенами. Наружные продольные стены глав­ного и дворового фасадов на все б этажей, включая цокольный, имели боль­шую проемность с размерами окон 4,13x1,4 м с простенками всего 2 м. Это придавало угрожающую гибкость наружным стенам особенно в основной 27-метровой секции (рис. 2).

К сожалению, и внутренняя средняя несущая стена толщиной всего 0,38 м была ослаблена большим числом двупольных дверных проемов (1,3 м) по 13 дверей на каждом этаже (рис. 1). Каких-либо противокарстовых ме­роприятий в наземной части, как и в фундаментно-подвальной не было пре­дусмотрено.

На рис. 2 видны трещины на фрагменте дворовой стены. Стена име­ла паутину сквозных трещин арочного очертания над воронкой в зоне цен­тральной секции здания с раскрытием в цокольном этаже 3...5 см и посте­пенным уменьшением их раскрытия на всех последующих этажах. Были вид­ны сдвиговые трещины в кирпичной кладке, значительные вертикальные трещины в стыках между кирпичами. Также наблюдалось полное разруше­ние кирпича в арочных трещинах из-за концентрации максимальных растя­гивающих напряжений. Сплошность несущей продольной стены была полно­стью нарушена. Треснули и перемычки над несколькими дверными проемами в цокольном этаже, поскольку их расчетная схема изменилась с появлением изгибающих моментов в верхней сжатой зоне. В продольных общих коридо­рах появились вогнутые понижения на всех этажах до 10... 12 см, видимые на глаз.

Одновременно продольная стена главного фасада находилась в удов­летворительном состоянии.

Стены подвала смонтированные из фундаментных блоков были разъ­единены за счет появившихся вертикальных трещин 3...10 мм в вертикальных стыках. Плиты перекрытия всех 6 этажей обозначились «живыми» продольными трещинами в стыках 2...4 мм.

Здание испытывало сложное объемное напряженно- деформированное состояние за счет кручения и значительного крена во двор.

Здание не минуемо рухнуло бы, если своевременно не были смонтиро­ваны стальные пояса вокруг здания в три яруса, а также бандажи на наибо­лее поврежденных опасных простенках дворовой стены в четыре яруса в зоне первой воронки (рис 2).

Рис. 2. Аварийные повреждения здания ЦНП со стороны дворового фасада. Основная 27-метровая секция (фото - июнь 2005г.)

Хроника событий на аварийном объекте

Октябрь 1974. Начало строительства здания с закладкой котлована для обычного сборного фундамента. Земляными работами неожиданно вскрыта в центре котлована карстовая воронка, ранее неизвестная по тех­нической документации.

Ноябрь-декабрь 1974. Разработан проект свайного фундамента вза­мен сборного фундамента мелкого заложения.

Февраль-апрель 1975. Забивка свай и устройство монолитного обычного ростверка монтаж сборных стен подвала.

Июнь 1977. Завершены все общестроителъные работы. При этом материализовались все постоянные нагрузки. Произошло повышение уровня подземных вод и затопление подвала.

Декабрь 1977. ЦНП был сдан в эксплуатацию.

В период строительства и 1,5 летней эксплуатации до мая 1979 г. каких-либо деформаций в несущих конструкциях здания не наблюдалось. Подвал был постоянно подтоплен.

1 мая 1979. Проявилась особая нагрузка карстово-суффозионного происхождения, не учтенная в проектной документации. Произошла вне­запная просадка основания на 30 см в зоне древней карстовой воронки в рай­оне основной секции здания под средней несущей стеной на участке длиной 23 м. Развитие паутины трещин в виде арки над воронкой по этой стене на всех б этажах, включая цокольный. Средняя продольная стена зависла над палеоворонкой (рис. 1,2). Установлен мониторинг. Назначены дополнитель­ные инженерно-геологические изыскания: бурение, статическое зондирова­ние, наблюдательные скважины и др., а также установлены 24 стенные марки.

1979. Выполнение усиления фундамента средней стены с целью пре­дотвращения (временного) дальнейших просадок по нашему техническому решению [9] и под нашим руководством путем подведения дополнительных 14 свай (многосекционных) с общей грузоподъемностью 7000 кН, что позво­лило на время стабилизировать деформации основания, а несущую стену вернуть в исходное положение с частичным закрытием арочных трещин. Эти мероприятия естественно не привели к подавлению карстово- суффозионного процесса, поскольку сохранялись все 5 обязательных условий развития карста [3,4]. Статические испытания 4-х свай.

1981-1984. Появление признаков развития новых осадок, достигших к 1984 г. существенных размеров с развитием угрожающих трещин и на на­ружной дворовой продольной стене в основной секции здания. «Заработала» вторая воронка уже под дворовой продольной стеной (рис. 1,2). Повторное статическое испытание тех же 4-х многосекционных ранее вдавленных свай показали резкое снижение (в 2-3 раза) грузоподъемности, хотя в 1979 г. эти же показали дали требуемую несущую способность. Наша версия о продол­жающемся карстово-суффозионном процессе подтвердилась.

1985. Производство работ по додавливанию ранее вдавленных по оси Б 14 свай до требуемого сопротивления свай в 450 кН каждая. Вдавливание дополнительных 22-х свай по этой же оси Б и 13 одиночных свай под дворо­вой стеной по оси В.

1986. Усиление наружных стен по периметру здания стальными поя­сами (швеллер № 20) и простенков бандажами (уголок N° 10) для предот­вращения неминуемого обрушения здания из-за вышеотмеченной низкой про­странственной жесткости остова.

1989. Прекращена эксплуатация здания в соответствии с нашим письмом (НИИпромстрой и Башкиргражданпроект).

Сентябрь 1990. Аварийная часть здания передана частному пред­приятию «Востокинвест», которое взялось стабилизировать деформации основания здания и вложить средства на восстановительные работы.

1993-1995. Иногородний подрядчик по тампонажным работам без какого-либо участия НИИпромстроя, ЗапУралТИСИЗа и Башкиргражданпроекта провел огромные работы по якобы нагнетанию цементного молока в зону карстовых воронок дабы погасить карстово-суффозионный процесс.

Работы проводились с перекрытия цокольного этажа путем установки на­гнетательных труб через пробитые отверстия 0150 в плитах перекрытия. Естественно цементное молоко излилось во все подземные прилегающие к ЦНП траншеи коммуникаций, колодцы, а затем излилось в подвал с образо­ванием цементной слоеной плиты толщиной 600 мм, так и не попав в воронки. Работа оказалась не только бросовой, но и пагубной для ЦНП и его ин­фраструктуры.

III квартал 1979 по 1993. Геодезические наблюдения и обслуживание наблюдательных скважин ЗапУралТИСИЗом.

1993. «Востокинвест» освободил аварийное здание, потеряв надежду на его спасение. Здание осталось пустовать вплоть до августа 2005 г.

Июль 2003. По заданию правительства республики нами составлена справка о состоянии здания с описанием его краткой истории и обосновани­ем полной бесперспективности его восстановления. Сделан вывод о необхо­димости разборки здания.

Август-сентябрь 2005. Демонтаж здания полностью с возвратом сохранившихся конструкций (рис. 3).

Рис. 3. Демонтаж аварийного здания ЦНП (Средняя секция со стороны дво­ра (фото 9 сентября 2005 г.))

Так закончилась история разрушения здания, длившаяся более 30 лет (1971-2005 гг.), давшая нам уроки как нужно и как не нужно строить на карсте.

P.S. Зданием занимались следственные органы республики Башкор­тостан, с приглашением Мулюкова Э.И. в качестве эксперта (1979). Никто не пострадал.

Библиография

1. Рождественский, А.П. Карст Башкирии и задачи его изучения / А.П. Рождествен­ский. В.П. Костарев, И.К. Кудряшов, В. И. Мартин, Б. В. Озолин, В. Р. Симоненко, Л.Н. Усоль- цев. // Карст Башкирии: тез. Докл. к совещ. по вопросам научного и практич. значения карста Башкирии.-Уфа, БФГО CCCP.-197l.-C.5-9.

2. Травкин, А.И. Прогноз карстоопасности и районирование закарстованных терри­торий (на примере центральной части г. Уфы): автореф. дис. ... канд. геол-мин. наук: 04.00.07защищена 23.05.1989,/Травкин Анатолий Иванович.-М., 1989.-21 с.

3. Мулюков, Э.И. О карстовом процессе и строительном освоении закарстованных территорий (на примере Башкирии)/Э.И. Мулюков//Основания, фундаменты и мех. грунтов,- 1998.-МЫ.-С. 16-19.

4. Мулюков, Э. Н. Карстовый процесс и строительное освоение закарстованных тер­риторий республики Башкортэстан/Э.И. Мулюков//Вестн. АН РБ.-1999.-т.4.-№3.-С.39-46.

5. Steger, F.H. More Failures Wanted!.//Ground Engineering/-London, England.-1979.- Vol.l2.-№2.-P.2.

6. Sanglerat, G. Pathologie des foundations et des reprises en sonsocuvre//Construction, - Paris, France. l980.-Vol.35.-№2-3.-P.3-19.

7. Мулюков, Э.И. Карстоведению Башкирии 250 лет/Э.И. Мулюков, Н.Э.Урманшина //Материалы VII Межд. Научно-практ. Конф.: Пробл. стр-го комплекса России.-Уфа, УГНТУ.-2003.-С. 319-320.

8. Чикишев, А.Г. Карст Русской равнины/А.Г. Чикишев.-М.:Наука, 1978.-191 с.

9. А.с. 1008357. Способ усиления фундамента здания, сооружения/Э.И. Мулюков, Г.С. Колесник, Р.Я. Арасланов, С.Н. Назаров (СССР): опубл. 01.12.83. бюл. №12.

Вестник Академии наук РБ, 1999, том 4, № 3______________________________________________